CN112613125B - 一种路面激励情况下汽车侧倾中心辨识和动态修正的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路面激励情况下汽车侧倾中心辨识和动态修正的方法，首先建立车辆侧倾动力学模型；然后根据车辆侧倾动力学模型，结合实时采集的车辆侧倾角、侧倾角速度、侧倾角加速度和侧向加速度，采用带扰动观测的最小二乘法进行侧倾中心高度辨识，动态辨识行驶过程中的车辆前、后侧倾中心的高度；最后，将动态辨识得到的车辆前、后侧倾中心的高度分别作为车辆前、后的侧倾中心高度的初始值，考虑汽车的俯仰运动和所受地面激励与汽车侧倾运动关系，结合对汽车几何结构及变形的分析，对车辆前、后的侧倾中心高度进行修正。本发明能够获得了更加准确的侧倾中心高度值，为侧翻稳定性分析和防侧翻控制提供了模型基础。

Description

一种路面激励情况下汽车侧倾中心辨识和动态修正的方法

技术领域

本发明涉及汽车侧倾稳定性及防侧翻控制领域，尤其涉及一种路面激励情况下汽车侧倾中心辨识和动态修正的方法。

背景技术

汽车如果发生侧翻将导致严重的交通事故，汽车侧翻紧急工况下的运动是一个复杂的过程，根据车辆的不同特点建立精准的多自由度模型，并在侧翻模型的基础上对侧翻情况进行预测及控制是非常困难且有意义的。这其中的关键是如何精准的对汽车模型的侧倾中心高度进行辨识和修正。对于传统的三自由度侧倾模型来说，常假设汽车侧倾中心高度固定，位于汽车簧载质量所受重力的延长线上，且不随车辆的运动发生变化。实际汽车运动过程中，因为汽车的俯仰运动以及路面激励导致的汽车姿态变化，汽车的侧倾中心高度存在一个动态的变化过程。实际的汽车侧倾运动可以看作其簧载质量绕侧倾轴线的转动，侧倾轴线与汽车前轴横截面的交点为前侧倾中心，与汽车后轴的交点为后侧倾中心。简单的将前后侧倾中心看作相等且不变所建立的侧翻模型不能准确的衡量汽车的侧翻倾向，也无法反映路面激励的影响。

邱旭云等(申请号201410772197.0)提出了一种汽车侧倾中心轴位置测量装置,根据汽车各车轮的垂向载荷、汽车的横摆角速度、汽车的侧倾角和汽车的行驶车速,计算出汽车发生侧倾与侧翻时侧倾中心轴的位置,提高汽车侧翻预测与防侧翻控制系统效果。但他只考虑汽车簧载质量的简单分布，选用侧翻模型较为简单，不曾进行详尽的受力分析。孙川等(申请号201810351829.4)提出了一种基于观测器的半主动悬架汽车侧倾参数在线辨识方法，通过双线性观测器，估计出汽车相对于路面的侧倾状态。但只利用簧载质量和非簧载质量的垂向加速度测量值，实现对左右轮胎变形的在线观测，准确性不足，当存在较大的轮胎变形，轮胎工作在非线性区时不能准确预测；选取的悬架模型忽视了汽车纵向运动，忽视各个运动之间的耦合关系。目前已有的文献暂时没有实现对汽车前后侧倾中心高度的准确辨识以及地面扰动和俯仰对侧倾中心影响的修正。

汽车前后侧倾中心高度的准确辨识与动态修正要求建立更加准确的数学模型，充分利用传感器所能提供的速度、角度、加速度等信息，将路面激励对汽车姿态的影响和汽车俯仰添加到对前后侧倾中心高度的分析当中，这样才能在复杂的工况下，实现对侧倾中心高度的辨识与修正。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种路面激励情况下汽车侧倾中心辨识和动态修正的方法，以解决侧倾中心高度辨识和由于路面激励和汽车俯仰导致的汽车侧倾中心高度变化问题，为侧翻稳定性分析和防侧翻控制提供更精准的模型参考。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种路面激励情况下汽车侧倾中心辨识和动态修正的方法，包括步骤：

步骤1)，建立车辆侧倾动力学模型；

步骤2)，根据车辆侧倾动力学模型，结合实时采集的车辆侧倾角、侧倾角速度、侧倾角加速度和侧向加速度，采用带扰动观测的最小二乘法进行侧倾中心高度辨识，动态辨识行驶过程中的车辆前、后侧倾中心的高度，所述车辆前侧倾中心的高度即车辆前轴处侧倾轴到地面的距离，车辆后侧倾中心的高度即车辆后轴处侧倾轴到地面的距离；

步骤3)，将动态辨识得到的车辆前、后侧倾中心的高度分别作为车辆前、后的侧倾中心高度的初始值，考虑汽车的俯仰运动和所受地面激励与汽车侧倾运动关系，结合对汽车几何结构及变形的分析，对车辆前、后的侧倾中心高度进行修正。

作为本发明一种路面激励情况下汽车侧倾中心辨识和动态修正的方法进一步的优化方案，所述步骤1)中车辆侧倾动力学模型的非线性动力学方程为：

式中，m为整车质量，m_s为车辆簧载质量，h_s0为簧载质量质心到侧倾轴距离，h_f0为前轴处侧倾轴到地面的距离，h_r0为后轴处侧倾轴到地面的距离，H为质心到地面的距离，l_f、l_r分别为前、后轴到质心的距离，r为横摆角速度，a_y为车辆侧向加速度，I_z为横摆转动惯量，I_xx为簧载质量绕侧倾中心转动惯量，b_f为前轴宽度，b_r为后轴宽度，/>为悬架等效侧倾刚度，/>为悬架等效侧倾阻尼，/>为簧载质量侧倾角，g为重力加速度，F_x1,F_x2,F_x3,F_x4为轮胎纵向力。

作为本发明一种路面激励情况下汽车侧倾中心辨识和动态修正的方法进一步的优化方案，所述步骤2)的具体步骤如下：

步骤2.1)，将侧倾动力学模型公式改写为包含噪声干扰的线性回归方程：

Y(t)＝X^T(t)ψ(t)+η(t)

式中，η(t)是影响参数辨识准确度的总扰动噪声，

步骤2.2)，结合线性回归方程建立带扰动观测的递归最小二乘法：

式中，是通过辨识获得的参数向量，/>是扰动观测值，P(t)是协方差矩阵，a是遗忘因子，/>Q(z)是预设的低通滤波器，用于提高观测器的鲁棒性。

作为本发明一种路面激励情况下汽车侧倾中心辨识和动态修正的方法进一步的优化方案，所述Q(z)采用一阶低通滤波器，其中，/>t_Q是采样时间，ω_c是预设的截止频率。

作为本发明一种路面激励情况下汽车侧倾中心辨识和动态修正的方法进一步的优化方案，按照以下公式对车辆前、后的侧倾中心高度进行修正：

式中，Z_u1、Z_u2、Z_u3、Z_u4、分别为车辆左前、右前、左后、右后车轮的垂向位移，θ为车辆簧载质量的俯仰角。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.采用带扰动观测的最小二乘法，充分利用车载传感器获得的信息，对车辆正常行驶(无路面激励)时的侧倾中心高度进行了较为准确的辨识，为接下来的车辆前后侧倾中心高度修正提供了准确的初始值。

2.充分考虑汽车的俯仰运动和所受地面激励的影响，结合对汽车几何结构及变形的分析，对汽车前后侧倾中心高度进行了修正，更加准确的侧倾中心高度值为侧翻稳定性分析和防侧翻控制提供了模型基础。

附图说明

图1为本发明原理流程图；

图2(a)、图2(b)分别为车辆的仰视结构简图、侧视结构简图；

图3为存在俯仰时侧倾轴姿态图；

图4为存在路面激励情况下前侧倾中心高度变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明提出一种侧倾中心高度辨识和动态修正方法。该方法的原理流程如图1所示，包含以下步骤：

步骤1)，建立车辆侧倾动力学模型，具体参数如图2(a)、图2(b)所示，包括汽车簧载质量、侧向加速度、侧倾角、汽车前后侧倾中心高度、侧倾刚度和阻尼等，描述汽车侧倾动力学的主要特征，用于对不考虑路面激励及俯仰运动时车辆的前、后侧倾中心高度进行辨识。

步骤2)，根据车辆侧倾动力学模型，结合实时采集的车辆侧倾角、侧倾角速度、侧倾角加速度和侧向加速度，采用带扰动观测的最小二乘法进行侧倾中心高度辨识，动态辨识行驶过程中的车辆前、后侧倾中心的高度，所述车辆前侧倾中心的高度即车辆前轴处侧倾轴到地面的距离，车辆后侧倾中心的高度即车辆后轴处侧倾轴到地面的距离。

步骤3)，将动态辨识得到的车辆前、后侧倾中心的高度分别作为车辆前、后的侧倾中心高度的初始值，考虑汽车的俯仰运动和所受地面激励与汽车侧倾运动关系，结合对汽车几何结构及变形的分析，对车辆前、后的侧倾中心高度进行修正。汽车俯仰运动车身姿态变化如图3所示，存在路面激励情况下前侧倾中心高度变化如图4所示。

所述步骤1)的具体步骤为：

建立汽车侧倾动力学模型，包括汽车簧载质量、侧向加速度、侧倾角、汽车前后侧倾中心高度、侧倾刚度和阻尼等，可以描述汽车侧倾动力学的主要特征，用于对不考虑路面激励和俯仰时的汽车侧倾中心高度进行辨识。其非线性动力学方程为：

式中，m为整车质量，m_s为车辆簧载质量，h_s0为簧载质量质心到侧倾轴距离，h_f0为前轴处侧倾轴到地面的距离，h_r0为后轴处侧倾轴到地面的距离，H为质心到地面的距离，l_f，l_r分别为前，后轴到质心距离，r为横摆角速度，a_y为车辆侧向加速度，I_z为横摆转动惯量，I_xx为簧载质量绕侧倾中心转动惯量，b_f为前轴宽度，b_r为后轴宽度，/>为悬架等效侧倾刚度，/>为悬架等效侧倾阻尼，/>为簧载质量侧倾角，g为重力加速度，F_x1,F_x2,F_x3,F_x4为轮胎纵向力。

所述步骤2)的具体步骤为：

根据第一部分中所建立的侧倾动力学模型，结合实车传感器采集的车辆侧倾角、侧倾角速度、侧倾角加速度和侧向加速度等数据，采用带扰动观测的最小二乘法进行侧倾中心高度辨识，动态辨识行驶过程中的车辆侧倾中心值h_f0、h_r0。辨识算法如下。

将侧倾动力学模型公式改写为包含噪声干扰的线性回归方程

Y(t)＝X^T(t)ψ(t)+η(t)

式中η(t)是影响参数辨识准确度的总扰动噪声，

结合已建立的线性回归方程，带扰动观测的递归最小二乘法可以写为

其中是通过辨识获得的参数向量，/>是扰动观测值，P(t)是协方差矩阵，a是遗忘因子。

扰动观测值表示为：

其中Q(z)是预设的低通滤波器，用于提高观测器的鲁棒性。

考虑到干扰特性，采样时间和截止频率等信息，采用一阶低通滤波器Q(z)，可写为

其中t_Q是采样时间，ω_c是预设的截止频率。

所述步骤3)的具体步骤为：

将第二部分辨识得到的侧倾中心高度看作为前后侧倾中心高度的初始值，考虑汽车的俯仰运动和所受地面激励与汽车侧倾运动关系，结合对汽车几何结构及变形的分析，对汽车前后侧倾中心高度进行修正。

侧倾中心高度辨识所采用的侧倾动力学模型主要考虑到车辆侧倾的影响，忽略了车辆簧载质量的俯仰运动和路面激励导致的车身姿态变化对侧倾中心高度影响。尤其当路面存在较大激励时，侧倾中心高度将发生变化，如不考虑其影响，将影响侧翻指标对于绊倒型侧翻趋势的体现。从俯仰和路面激励两个方面对侧倾中心高度进行修正。

以h_f为例，将h_f视为由三个部分组成：初始值h_f0，俯仰校正Δh_z和垂向位移校正Δh_θ，即：h_f＝h_f0-Δh_z+Δh_θ；

为了简化计算并考虑实际测量的可行性，分别考虑俯仰校正和垂向校正，根据受到路面激励时车轮姿态变化图可知，垂向位移修正式中，Z_u1、Z_u2分别为车辆左前、右前车轮的垂向位移；

当车辆发生俯仰运动时，侧倾轴也会同时发生倾斜，h_f和h_r的值随之变化。由车辆侧倾轴随俯仰变化的示意图可知，俯仰修正Δh_θf＝l_fsinθ+h_s(1-cosθ)，式中，θ为车辆簧载质量的俯仰角；

综合垂向位移校正和俯仰校正，h_f的表达式为：

同理，h_r的表达式为：

式中，Z_u3、Z_u4分别为车辆左后、右后车轮的垂向位移。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种路面激励情况下汽车侧倾中心辨识和动态修正的方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1)，建立车辆侧倾动力学模型如下：

式中，m为整车质量，m_s为车辆簧载质量，h_s0为簧载质量质心到侧倾轴距离，h_f0为前轴处侧倾轴到地面的距离，h_r0为后轴处侧倾轴到地面的距离，H为质心到地面的距离，l_f、l_r分别为前、后轴到质心的距离，r为横摆角速度，a_y为车辆侧向加速度，I_z为横摆转动惯量，I_xx为簧载质量绕侧倾中心转动惯量，b_f为前轴宽度，b_r为后轴宽度，/>为悬架等效侧倾刚度，/>为悬架等效侧倾阻尼，/>为簧载质量侧倾角，g为重力加速度，F_x1,F_x2,F_x3,F_x4为轮胎纵向力；

步骤2)，根据车辆侧倾动力学模型，结合实时采集的车辆侧倾角、侧倾角速度、侧倾角加速度和侧向加速度，采用带扰动观测的最小二乘法进行侧倾中心高度辨识，动态辨识行驶过程中的车辆前、后侧倾中心的高度，所述车辆前侧倾中心的高度即车辆前轴处侧倾轴到地面的距离，车辆后侧倾中心的高度即车辆后轴处侧倾轴到地面的距离；

步骤2.1)，将侧倾动力学模型公式改写为包含噪声干扰的线性回归方程：

Y(t)＝X^T(t)ψ(t)+η(t)

式中，η(t)是影响参数辨识准确度的总扰动噪声，

步骤2.2)，结合线性回归方程建立带扰动观测的递归最小二乘法：

式中，是通过辨识获得的参数向量，/>是扰动观测值，P(t)是协方差矩阵，a是遗忘因子，/>Q(z)是预设的低通滤波器，用于提高观测器的鲁棒性；

步骤3)，将动态辨识得到的车辆前、后侧倾中心的高度分别作为车辆前、后的侧倾中心高度的初始值，考虑汽车的俯仰运动和所受地面激励与汽车侧倾运动关系，结合对汽车几何结构及变形的分析，对车辆前、后的侧倾中心高度进行修正。

2.根据权利要求1所述的路面激励情况下汽车侧倾中心辨识和动态修正的方法，其特征在于，所述Q(z)采用一阶低通滤波器，其中，/>t_Q是采样时间，ω_c是预设的截止频率。

3.根据权利要求1所述的路面激励情况下汽车侧倾中心辨识和动态修正的方法，其特征在于，按照以下公式对车辆前、后的侧倾中心高度进行修正：

式中，Z_u1、Z_u2、Z_u3、Z_u4、分别为车辆左前、右前、左后、右后车轮的垂向位移，θ为车辆簧载质量的俯仰角。